譚 雯，沈三民，楊 峰

（中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

0 引言

1995年Yeh提到，電子設備的故障中有55%是由于缺乏良好的溫度控制引起的。隨著電子設備結(jié)構(gòu)逐漸變得緊湊、小型化，電子元器件上的熱流密度大大增加。如果設備溫度達到一定程度，就會導致元器件失效，使整個設備失效或損壞。

電子設備熱控制方法較多，如風冷、液冷、相變溫控、隔熱防護等。由于應用環(huán)境的限制，常規(guī)的風冷、液冷存在體積較大、對環(huán)境溫度依賴較大、無法隨電子設備旋轉(zhuǎn)等問題，所以熱控制選擇外部隔熱防護和內(nèi)部相變儲熱。

隔熱防護通過使用傳熱系數(shù)低的功能材料減緩熱量傳遞速度，保證一定時間內(nèi)電子設備工作在適宜的溫度。常用的隔熱材料有無機隔熱材料和有機隔熱材料。有機類包括酚醛泡沫復合材料、氧化鋁陶瓷泡沫材料。無機類包括纖維類隔熱材料、多孔性陶瓷材料以及氣凝膠材料等。由于Si O氣凝膠具有低密度、高孔隙率、低折射率，熱導率僅有0.02 W/（m·K），所以被廣泛應用于航空航天、軍工、石化、冶金、建筑等領域。20世紀90年代，美國ASPEN研究將氣凝膠保溫隔熱材料應用于高超聲速飛行器、飛機發(fā)動機等，有效地阻止了熱量的傳遞。何翔等人對多層隔熱結(jié)構(gòu)進行研究，得出隔熱結(jié)構(gòu)能夠有效阻止環(huán)境熱量傳遞到內(nèi)部，使得內(nèi)部溫度達到需要。

相變材料在一定溫度范圍內(nèi)可以發(fā)生相態(tài)變化，實現(xiàn)吸收或者釋放熱量的目的。完全相變前材料可以長時間維持在相變溫度附近。相變溫控具有潛熱大、可以選擇不同熔點的材料進行溫度控制的特點，減小了電子設備散熱對環(huán)境溫度的依賴。相變材料按照形態(tài)可以分為固-固相變材料、固-液相變材料、固-汽相變材料和液-汽相變材料等，固-汽和液-汽相變潛熱較大，但相變過程體積變化較大導致封裝困難。工程中常用固-固相變材料或固-液相變材料。石蠟具有潛熱大、成本低、無過冷、化學性質(zhì)穩(wěn)定等特點，被廣泛用于電子設備熱控系統(tǒng)中。王虎軍等人將相變冷板應用于彈載電子設備中，通過熱仿真分析證明相變冷板有明顯優(yōu)勢，可以滿足熱控制需要。美國阿波羅15號月球車，月球通信中繼單元裝配了相變溫控系統(tǒng)。Marc Hodes研究了用于手機的相變溫控系統(tǒng)，手機以恒定3 W的功率發(fā)熱時，達到上限工作溫度的時間延長了40 min。高林星等人基于石蠟相變材料設計了可用于彈載電子設備的儲熱裝置，在熱功耗為45.3 W、外部環(huán)境為60℃的條件下，儲熱裝置具有明顯優(yōu)勢。

基于航空發(fā)動機性能研究的需求，發(fā)動機艙內(nèi)裝有電子設備來采集和傳輸測試數(shù)據(jù)。由于發(fā)動機運行中會產(chǎn)生熱量積累，導致發(fā)動機艙內(nèi)熱環(huán)境非常惡劣，為了保證電子設備的穩(wěn)定運行，需要對艙內(nèi)電子設備進行熱控制設計。針對航空發(fā)動機的電子設備在艙內(nèi)高溫環(huán)境中的工作需求，本文提出了一種采用外部隔熱防護與內(nèi)部相變吸熱相結(jié)合的熱控制設計，應用仿真軟件進行了模擬仿真，結(jié)果表明，熱控制結(jié)構(gòu)可以保證電子設備穩(wěn)定工作。

1 熱設計結(jié)構(gòu)

整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，支撐殼外徑為Φ110 mm，高為60 mm，外部包裹有一定厚度的隔熱材料。支撐殼內(nèi)部空腔尺寸為70 mm×70 mm×50 mm，用于存放相變材料盒對電子設備進行相變冷卻。支撐殼通過螺栓與旋轉(zhuǎn)軸的套筒鎖緊，可以隨軸轉(zhuǎn)動。電子設備通過螺釘與相變材料盒壁鎖緊。支撐殼及相變材料盒均為鋁合金材料，隔熱材料采用Si O氣凝膠，相變材料采用石蠟。為了減小相變材料液化后對發(fā)動機轉(zhuǎn)軸的離心慣性力影響，同時提升熱傳導性能，在相變材料盒內(nèi)部添加方形金屬蜂窩骨架。

圖1 熱設計結(jié)構(gòu)及相變盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 隔熱結(jié)構(gòu)設計

2.1 數(shù)學模型

進行模擬仿真前假設：沿隔熱層水平方向的溫度傳遞可以忽略，熱量僅在厚度方向傳遞；隔熱結(jié)構(gòu)與環(huán)境不進行熱交換。將隔熱層的熱傳遞問題轉(zhuǎn)化為瞬態(tài)傳熱問題，溫度分布滿足瞬態(tài)傳熱方程：

式中：是密度；是比熱容；是傳遞時間；是厚度；是處的溫度；是導熱系數(shù)。

建立隔熱層傳熱的幾何模型，材料的熱物性參數(shù)如表1所示。隔熱層外壁為恒壁溫條件，=250℃，其他壁面為絕熱壁面。

表1 材料熱物理性能

2.2 仿真結(jié)果與分析

隔熱層厚度分別為10 mm，20 mm，30 mm，通過瞬態(tài)仿真計算，得出250℃的外部環(huán)境溫度下持續(xù)60 min的溫度分布，如圖2所示。由圖2可知：當厚度為10 mm，20 mm，30 mm，隔熱層內(nèi)側(cè)溫度分別為136.45℃，77.1℃，49.543℃，隨著隔熱層厚度增加，內(nèi)壁溫度越低，隔熱效果越好；當隔熱層厚度為30 mm時，內(nèi)壁溫度為49.543℃，滿足設計需求。

圖2 10 mm，20 mm，30 mm厚隔熱層的溫度分布云圖

3 相變儲熱結(jié)構(gòu)

3.1 結(jié)構(gòu)設計

電子設備總熱功耗為5 W，產(chǎn)生的總熱量=。假設隔熱結(jié)構(gòu)處在一個理想的絕熱環(huán)境中，不考慮熱源及相變材料的對外換熱，熱源發(fā)出的所有熱量都被相變材料吸收。由于電子設備尺寸較小，相變盒的金屬顯熱與相變材料的潛熱相比可忽略不計，因此相變材料的用量=，是相變材料的潛熱，可計算出=112.5 g。相變材料盒尺寸為70 mm×70 mm×50 mm。

3.2 數(shù)學模型

使用Fluent軟件進行模擬計算，溫度場求解基于焓-孔隙法，利用能量方程和融化/凝固模型建立固相和液相相統(tǒng)一的能量方程，控制方程為：

連續(xù)性方程：

能量方程：

動量方程：

3.3 仿真結(jié)果與分析

電子設備內(nèi)部溫度與支撐殼內(nèi)壁的溫度變化一致，為使計算可靠，取最高溫度60℃作為初始溫度進行計算。選用相變溫度為60℃的石蠟，在相變區(qū)間潛熱為160 k J/kg，材料熱物理性能見表1。要求電子設備在連續(xù)工作60 min后，最高溫度不超過80℃。建立三種模型，模型1內(nèi)部無相變材料，模型2內(nèi)部有相變材料，模型3加入蜂窩骨架。將電子設備上主要發(fā)熱的功率芯片簡化為8 mm×8 mm×3 mm的熱源，熱源功率為5 W，初始環(huán)境溫度為60℃，忽略內(nèi)部自然對流，采用Fluent進行模擬計算。求解器采用非耦合、隱式、二維的求解方法，物理模型采用非穩(wěn)態(tài)、層流、固/液相變模型，采用SIMPLE算法來處理溫度場和壓力場的耦合。

模型1的溫度云圖如圖3所示，沒有熱控制手段時，熱量會一直積累，60 min后最高溫度達到99.4℃，遠遠超過了電子設備要求的最高工作溫度。當相變材料直接填充在盒內(nèi)空腔中，相變材料通過相變吸熱將產(chǎn)生的熱量存儲起來，60 min后模型2的溫度云圖如圖4所示，溫度最高為75.6℃，滿足電子最高工作溫度的限制。

圖3 模型1的溫度云圖

圖4 模型2的溫度云圖

當內(nèi)部有蜂窩骨架，相變材料存儲在蜂窩骨架中，經(jīng)過60 min后，模型3的溫度云圖如圖5所示，最高溫度為70.9℃，滿足工作溫度的要求。三種模型的溫度曲線如圖6所示。由圖6可知：添加相變材料能夠有效地吸收電子設備產(chǎn)生的熱量，與無相變材料的情況相比，最高溫度降低23.8℃；與有蜂窩骨架的相變材料盒相比，最高溫度相差4.7℃。結(jié)果表明，添加蜂窩骨架的模型可以增大蜂窩骨架與相變材料的接觸面積，能夠有效增強熱傳導效率，使相變可以同時、均勻地發(fā)生，在完全相變前的相同時間里能夠存儲更多的熱量，從而模型3的溫度比模型2更低。

圖5 模型3的溫度云圖

圖6 三種模型的溫度曲線圖

4 結(jié) 論

針對發(fā)動機艙內(nèi)惡劣的高溫環(huán)境下電子設備的工作需要，本文利用仿真軟件對熱控制結(jié)構(gòu)進行模擬，結(jié)果顯示所設計的熱結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)電子設備在高溫環(huán)境下持續(xù)工作60 min的需求。仿真結(jié)果表明：在外部環(huán)境溫度為250℃時，隔熱層材料越厚，內(nèi)壁熱流越小，溫度越低，隔熱效果越好；30 mm SiO氣凝膠氈隔熱層可在60 min內(nèi)保證設備內(nèi)部溫度不高于60℃；在相變盒尺寸不變的情況下，添加相變材料可以有效地吸收電子設備產(chǎn)生的熱量；蜂窩骨架增強了相變材料的導熱性能，使溫度分布均勻。添加金屬蜂窩骨架和相變材料的情況下，60 min后電子設備最高溫度為70.6℃。通過軟件仿真驗證了本文設計的熱控制方案可以實現(xiàn)電子設備運行的需求。

注：本文通訊作者為沈三民。